大型复杂框类零件加工变形原因分析及应用

樊娜娜，任万松，万国俊

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610092）

0 引言

随着现代航空制造业的不断发展，越来越多的大型复杂框类零件被运用在生产中，但大型复杂框类零件尺寸大、结构复杂、精度要求高，其加工变形一直是最突出的难题。在生产中发现，框类零件在机加后存在着不同程度的变形，且无规律，严重影响零件质量。本文分析大型复杂框类零件变形产生的主要原因，运用六西格玛管理，通过规范化操作逐步消除加工变形，达到质量稳定的目的。

1 零件变形的原因分析

零件变形是内外力相互作用的结果，引起变形的主要原因有以下4 种。

（1）装夹变形。零件在夹紧时，夹紧力的先后顺序及零件的受力面积使零件产生变形。

（2）残余应力释放。在加工中，零件毛坯内部带有残余应力，随着加工不断进行，残余应力得到释放并重新分布，且加工过程自身也产生残余应力。这些残余应力互相综合，达到新平衡，对零件尺寸稳定起破坏作用，发生变形。

（4）热处理变形。零件经热处理后，内应力发生改变，导致零件变形。

2 零件变形的关键原因

引起零件变形的原因较多，其中，内应力引起零件变形无法避免。因此，要减小零件变形，需从加工中产生的外力出发，分析影响零件变形的各种原因并确认关键原因。通过分析，找出影响零件变形的关键原因，如图1 所示。可见，影响零件变形的关键原因是工艺方案和装夹方案。

图1 零件变形鱼骨图

3 减小零件变形的改进措施

根据影响零件变形的关键原因，采取有效措施。

3.1 通过工艺方案减小零件变形

通过对刀具、加工路径和切削方式等3 个方面的分析，优化工艺方案，减小零件变形。

3.1.1 刀具

零件在加工中，会产生让刀，精加工时选取较大主偏角和前角的锋利刀具，减小切力，以减少零件上的残余应力。在加工系统中，细长刀具在切削力作用下会产生变形，使得零件切屑量发生变化，这个变化又反馈到切削系统，使切削力受到影响，因此，应避免选用细长刀具。

3.1.2 加工路径

加工路径的不同使零件原有残余应力释放的顺序不同，造成变形。在编制工艺方案时要选择合理路径，单面框采用错位铣削的走刀方式；双面框的双面选择相同加工路径，以便于加工变形相互抵消。

3.1.3 切削方式

教师在上课之前应该备自己的学生，明确课堂的主体是学生，课堂有效性应体现于学生。一堂课学生要有所发展，首先要明白学生的起点在何处，有哪些已有的知识，有哪些已会的技能。学生的知识基础是有差异的，当全面了解学情后，我们应精心设计合理的教学环节，组织活动，有针对性的让学生选择自主学习、接受式学习、合作及探究学习等丰富的学习方式，引导学生能够态度积极、兴趣浓厚、精力集中的有序高效的完成学习目标。并充分肯定学生的观点，尊重学生，充分的保证学生的发言权，不讥讽学生。别林斯基说过，“你的教鞭下有瓦特，你的冷眼里有牛顿，你的讥笑中有爱迪生”。并以此来告诫别人，也严格要求自己，以宽厚仁爱去包容、尊重、热爱学生。

高速切削方式使零件在短时间内被切除，大部分热量被带走，减小变形。在加工筋缘条时选择“大切宽，小切深”，通过增加切宽、减小切深来减小筋缘条受到的刀具径向力；加工腹板时选择“小切宽，大切深”，通过减小切宽、增加切深来减小腹板受到的刀具轴向力；以此来减小变形。

3.2 通过装夹方案减小零件变形

零件加工中，确定工艺方案后，进一步分析装夹方案对变形的影响。

3.2.1 夹紧力的确定

零件加工前，先使用夹具夹紧并在加工中保持位置不变，因此需选择合理的夹紧力大小、方向和作用点。

（1）夹紧力大小的确定。对于框类零件，零件毛坯与工装夹具间采用螺栓连接，拧紧螺栓与螺母后，压紧块对零件施加的力就是实际夹紧力F。

对于框类零件，先确定零件的定位点再确定夹紧点，保证定位点与夹紧点呈中心对称分布。

3.2.2 夹紧顺序的确定

确定夹紧力三要素后，作用点的夹紧顺序对变形仍存在较大影响。因此，通过对以下3 类常见的装夹方案进行验证比对，选取最佳方案，将变形降到最小。

（1）第一类装夹方案对零件变形的影响。如图2 所示，操作员装夹零件时以I、两处定位孔找正零件，然后夹紧1#、2#两处定位凸台，防止后续装夹过程中零件产生位移。再按图2 中标注的顺序依次夹紧。但以此方式装夹加工完零件后，应力并没有得到有效释放，反而使应力集中。根据零件变形量和现场实际测量，得到数据（表1）。

（2）第二类装夹方案对零件变形的影响。如图3 所示，操作员装夹零件时以I、两处定位孔找正零件，然后夹紧1#、2#两处定位凸台，防止后续装夹过程中零件产生位移。再按图3中标注的顺序依次夹紧。以此方式装夹加工完零件后，变形依然没有得到有效控制。根据零件变形量和现场实际测量，得到数据（表2）。

（3）第三类装夹方案对零件变形的影响。如图4 所示，操作员装夹零件时以I、两处定位孔找正零件，然后夹紧1#4#等4处定位凸台，夹紧的同时保证直线度5 mm，此时零件完全固定，不再发生位移。最后按图4 标注顺序依次夹紧。用此方式装夹零件后，应力从中间部位向两边扩散，得到有效释放。根据零件变形量和现场实际测量，得到数据（表3）。

图2 第一类装夹方案

表1 零件变形量和现场实际测量数据1

图3 第二类装夹方案

表2 零件变形量和现场实际测量数据2

通过对比上述3 类方案，采用第一类和第二类方案装夹零件，由于零件加工中应力没有释放，导致零件解除约束后发生较大变形；采用第三类方案装夹零件，加工过程中零件应力充分释放，加工完后变形最小。零件批量生产中，需要对装夹方式进行规范化，形成标准化操作流程，从而提升质量稳定性。

图4 第三类装夹方案

表3 零件变形量和现场实际测量数据3

4 应用

4.1 装夹方式规范化

通过验证，装夹方式规范化能最大限度减小零件变形。通过采取规范化的装夹方案，某框零件成品变形量明显改善，将装夹方案推广至同类框加工过程中。生产中，已建立大型复杂框类零件作业指导书（表4），用于指导加工。

表4 大型复杂框类零件作业指导书

4.2 实施效果

通过装夹方式规范化，对某框零件成品变形量进行数据统计，变形量趋于稳定状态。